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新型電磁加熱實驗室用磁力驅動反應釜的研究與設計

甄繼夏,馬文啟
（威?；C械有限公司,山東威海264200）

實驗室用磁力驅動反應釜的加熱方式主要采用電阻加熱，加熱效率低、時間長，溫度控制精度差，保溫效果差。通過對多種加熱方式的比對研究，確定電磁加熱的可行性，研究設計開發(fā)一種新型的電磁加熱磁力驅動反應釜，除了具有磁力驅動反應釜承壓能力高、釜蓋開啟方便、操作維護簡單、無泄漏的優(yōu)點，還具有加熱效率高，升溫速度快，溫度控制精確等特點。

電磁加熱；磁力驅動；反應釜；設計

1　引言

實驗室用磁力驅動反應釜是化工企業(yè)、科研院校、研究所進行化學實驗的主要反應設備之一，它具有承壓能力高、釜蓋開啟方便、操作維護簡單、無泄漏的優(yōu)點。到目前為止，國內外關于實驗室用的反應釜種類很多，實驗釜主要由承壓釜體（承壓容器）、釜蓋、加熱裝置、冷卻裝置、攪拌裝置、磁力傳動裝置以及安全附件、閥門等組成，見下圖。

常規(guī)實驗室用反應釜的加熱裝置主要采用電加熱的結構對反應介質進行加熱，以促進化學反應的進行，也有采用導熱油加熱以及蒸汽加熱的方式對介質進行加熱的，但是在實際操作過程中，普遍反映加熱效率低、時間長，溫度控制精度差，保溫效果差，直接導致實驗的周期長，實驗采集數據準確度降低，實驗成功率降低，實驗成本增加。

針對目前實驗用反應釜存在缺點和問題，開發(fā)研制一種新型的實驗室用磁力驅動反應釜，除了具有常規(guī)磁力驅動反應釜的特點，還能具有加熱效率高，溫度控制精確等特點，成為各大企業(yè)院校的迫切需求。

2　反應釜加熱方式選擇

目前國內傳統(tǒng)反應釜普遍采用的加熱方式均為介質傳熱，包括電爐加熱以及導熱油、蒸汽等介質傳熱。但無論是哪種方式都存在效率不高、熱量散失嚴重的問題，這對能源是一種浪費，也極大地使用單位的生產效率，嚴重地影響了經濟效益。行業(yè)內迫切需求對反應釜的加熱方式進行改進，改變目前耗能高、效益低的尷尬現狀。而電磁加熱方式作為一種相當成熟的技術，已成功應用在電磁爐、化纖注塑等行業(yè)，并取得了非常好的效果。

在此情況下，研究人員對國內相關科研院所的研發(fā)流程以及大型化工廠、制藥廠、助劑廠、農藥廠等企業(yè)的生產工藝進行了詳細的了解，收集了科技研發(fā)、實際生產流程中所涉及的反應工藝參數，并對現場應用的反應釜效果進行了檢測，得到了“第一手”的資料。同時查閱了國內外大量的相關科技文獻資料，最后結合自身多年的研究成果，提出該電磁加熱磁力驅動反應釜的設計方案，并反復論證了反應釜行業(yè)引入電磁技術的可行性，提出了開發(fā)研制電磁加熱實驗用磁力驅動反應釜的新課題。

3　電磁加熱實驗用磁力驅動反應釜結構設計

3.1加熱方式的選擇

電磁加熱的原理是通過電子線路板組成部分產生交變磁場、當用含鐵質容器放置上面時，容器表面具即切割交變磁力線而在容器底部金屬部分產生交變的電流（即渦流），渦流使容器底部的鐵原子高速無規(guī)則運動，原子互相碰撞、摩擦而產生熱能。從而起到加熱物品的效果。因為是鐵制容器自身發(fā)熱，所有熱轉化率特別高，最高可達到95%。

根據該原理同時結合反應釜自身的結構特點，明確了反應釜釜體可以實現電磁加熱的機理。將電磁線圈規(guī)則地纏繞在反應釜釜體的外圍，線圈通高頻交變電流產生高頻交變磁場，該磁場將反應釜釜體包覆其中。磁場的高頻變化，當磁場磁力線通過釜體時，會在金屬體內產生無數的小旋渦流，使釜體本身自行高速發(fā)熱，從而起到加熱的效果。

3.2磁力驅動反應釜材料的選擇

為了滿足磁力驅動反應釜釜體的電磁加熱要求，研發(fā)人員對反應釜各部件的用材進行了全新的選擇，包括釜體材料、保溫材料、電磁線圈材料以及磁場屏蔽材料等。

3.2.1釜體材料的選擇

釜體材料的選擇：常規(guī)的小型反應釜釜體為達到耐腐蝕以及美觀等要求，一般都采用奧氏體不銹鋼鍛件的結構。奧氏體不銹鋼屬于非導磁性材料，而電磁加熱要求受熱體必須為導磁性材料。為解決這一問題，滿足電磁加熱的需要，研發(fā)人員對釜體的材料重新做了選擇。將奧氏體不銹鋼鍛件結構改為低碳合金鋼鍛件堆焊不銹鋼結構。這樣低碳鋼的釜體具有導磁性能夠滿足電磁加熱的要求，而不銹鋼的表層也能滿足試驗室反應清潔耐腐蝕的要求。

3.2.2外部保溫材料的選擇

為了更好的配合電磁加熱的需要，研發(fā)人員對保溫材料也做出了優(yōu)化選擇。常規(guī)反應釜選用的是石棉絨，此種材料是一種硅酸鹽類礦物纖維，作為一種耐火保溫材料，它的熱量散失比較嚴重，耐火效果還行，保溫效果較差。為了得到更好的保溫效果，采用了一體成型的陶瓷纖維模塊做保溫層，降低了反應過程中的熱量散失，也為反應釜溫度的精度控制提供了保障。

3.2.3電磁加熱系統(tǒng)材料的選擇

研發(fā)人員綜合考慮了線圈承受電流的大小、耐熱性能、使用壽命等因素。為了避免溫度變化過程中電磁場對反應釜其他零部件產生熱影響，對電磁線圈外部電磁場進行了屏蔽處理。經過多次試驗比較，最終選擇了合適的材料。

3.3設備設計參數選擇

反應釜在設計之前，根據調研返回的信息，該類設備在企業(yè)和院校以中小型實驗反應釜居多，選定以下參數進行相關設計研發(fā):反應釜容積：2升設計壓力：12.5MPa設計溫度：350℃

電磁加熱功率：2.5KW電磁頻率：20～30KHz

以上技術指標系常規(guī)實驗室用反應釜的基本參數，同時電磁加熱方式的創(chuàng)新性引入，極大地提高了反應釜的升溫速度，縮短了升溫時間，提高了反應效率，提高了效益。同時也解決了困擾常規(guī)加熱方式伴隨的溫控延遲現象，保證了反應溫度控制的精度。

3.4設備設計制造

反應釜釜體依據GB150-2011《鋼制壓力容器》等國家標準對壁厚進行設計。采用低合金鋼鍛件材料，既保證壓力容器的承壓要求，又保證其自身具有導磁性能以滿足電磁加熱需要，同時對其表面進行堆焊防腐處理，也進行了耐高溫的工藝處理。反應釜釜蓋密封面設計采用高壓反應釜密封結構，同時提高加工精度等級，對形狀與位置公差提高一級(相對普通要求)。

電磁線圈的制作經過反復的試驗論證，對線圈的長度、圈數進行優(yōu)化設計，最終達到最優(yōu)的加熱效果。同時為防止電磁場的輻射散失，采用了特殊材料對電磁線圈的外磁場進行了有效屏蔽。

3.5控制器的優(yōu)化

常規(guī)反應釜的控制系統(tǒng)只是簡單的配備了壓力、溫度、轉速等功能的顯示要求，但對溫度、壓力控制的實時性做的并不好。根據電磁加熱對溫度的精度控制要求，重新參照國外反應釜的控制器，設計研制了一套可視控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用32位高性能RAM芯片組成實驗室反應釜監(jiān)控系統(tǒng)，其輸入輸出接口與功能更加豐富，可根據用戶需求進行選擇匹配。而且可以與電腦聯接進行實時控制和數據分析。不僅可以對溫度進行精確控制，在升溫加熱的過程還可以繪制溫升曲線，通過電腦程序來設置升溫速率?？梢詫崿F全自動的操作方法，可在多次定量分析中提高自動化操作流程，更加便于定量、定性的分析。

3.6試運行效果比對分析

設備制造完畢，對試制產品進行全面的檢驗和試驗，包括壓力試驗、密封性能試驗、傳動系統(tǒng)試驗、電磁加熱效果試驗等。在工況相同條件下，同時啟動常規(guī)磁力驅動反應釜以及電磁加熱磁力驅動反應釜，以升溫到320℃為基準，共進行了60次的試驗比對分析。

試驗數據對比見下表：

試驗數據參數表（平均值）

試驗結果顯示：電磁加熱反應釜相比傳統(tǒng)電阻加熱方式，單位時間內的加熱效率提高了60%，加熱時間縮短一倍以上。溫度的控制精度可以確保在±1℃的范圍內。

4　結論

經實驗證明，該電磁加熱實驗室磁力驅動反應釜的設計達到了預期效果，高效節(jié)能，保溫效果好，溫度控制精確，控制器智能化程度高，經過在部分企業(yè)一年多的實際應用，反映效果好，達到國際、國內領先水平。

[1]GB/T30098-2013.實驗室用磁力驅動反應釜[Z].

[2]GB150.1～150.4.壓力容器[Z].